(57)【要約】【課題】アノードオフガス中に含まれる凝縮水の流入による触媒の温度低下を抑制すると共に凝縮水による失火を防ぎ、燃焼効率の高い触媒燃焼器を提供する。【解決手段】筒状のハウジング１２と、ハウジング１２内に間隔を空けて多段に設置され、供給されたアノードオフガスに酸化剤を混合した混合ガスを最初に導入する第一の触媒１６及び第一の触媒１６後流側に設置された第二の触媒１７を少なくとも含む複数の触媒と、を備え、第一の触媒１７より上流側の水分吸着量が、第二の触媒１７より後流側の水分吸着量に比べて高いことを要旨とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のハウジングと、
前記ハウジング内に間隔を空けて多段に設置され、供給されたアノードオフガスと酸化剤を混合した混合ガスを最初に導入する第一の触媒及び前記第一の触媒後流側に設置された第二の触媒を少なくとも含む複数の触媒と、を備え、
前記第一の触媒またはその上流側の水分吸着性が、前記第二の触媒またはその後流側の水分吸着性に比べて高いことを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
前記第一の触媒は、前記第二の触媒に比べて水分を吸着しやすい材料から形成するか、又は、前記第一の触媒と同位置又は前記第一の触媒よりも上流側に水分吸着材を配置するかの少なくともいずれかとして、水分吸着性を変えたことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。
【請求項３】
前記第一の触媒は、前記ハウジングの断面上部に形成され、前記水分吸着材は、前記ハウジングの断面下部に配置されていることを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼器。
【請求項４】
前記第一の触媒は、前記ハウジングの断面内側に形成され、前記水分吸着材は、前記第一の触媒の断面外側に配置されていることを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼器。
【請求項５】
前記第一の触媒は、前記ハウジング断面上部のセル密度が低く、断面下部のセル密度が高いことを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼器。
【請求項６】
前記第一の触媒は、前記ハウジング断面内側のセル密度が低く、断面外側のセル密度が高いことを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼器。
【請求項７】
前記水分吸着材は、前記第一の触媒の上流側における前記ハウジング内壁沿いに配置されることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項８】
前記水分吸着材は、触媒担体にウォッシュコートのみを担持し形成されることを特徴とする請求項２、３、４及び７のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項９】
前記第一の触媒におけるセル密度の高い部分がウォッシュコートのみを担持し形成されることを特徴とする請求項５又は６記載の触媒燃焼器。
【請求項１０】
前記複数の触媒は、一つ以上の担体を一体に形成し、上流側に水分吸着部及び下流側に燃焼触媒部を構成したことを特徴とする請求項項３乃至９のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項１１】
前記複数の触媒は、一体に形成した担体に燃焼触媒部と水分吸着部とを形成しており、担持する貴金属の有無を前記燃焼触媒部又は水分吸着部の位置に応じて変えたことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内の燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスを酸化剤で燃焼して排気中の未燃焼ガスを低減する触媒燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車搭載用の動力源として、燃料ガス（水素ガス）及び酸素ガス（空気）を用いて発電する燃料電池の実用化が進められている。燃料電池は、発電に伴い有害な排気ガスが生じないことから、地球環境保護の観点から注目されている。
【０００３】
燃料電池は、発電の基本単位となる単セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックを含むものである。単セルは、例えば、固体高分子電解質膜の両面側にカソード極（水素極）及びアノード極（酸素極）を接合して一体化した膜電極接合体（MEA: membrane electrode assembly）を有し、カソード極（燃料極）及びアノード極（酸素極）に、燃料ガスである水素ガスと酸素ガスとを各々供給している。
【０００４】
燃料電池システムは、酸素極と水素極とにカソードガス流路及びアノードガス流路を接続し、酸素ガスを含むカソードガス（空気）と水素ガスを含むカソードガスを各々供給している。アノード極後流側には触媒燃焼器を配置し、アノード極から排気されたアノードオフガスを燃焼している。
【０００５】
上記触媒燃焼器として各種開発されており、例えば、燃焼法を改良することにより点火時の不安定な燃焼状態を解消して大気汚染を防止した無炎触媒燃焼器点火装置（例えば、特許文献１参照）が開示されている。また、燃料電池から排気される燃料ガスを制御することにより、燃焼触媒層の劣化を抑制した触媒燃焼器の燃焼制御装置（例えば、特許文献２参照）が開示されている。また、コンパクトでありながら均質な予混合気を生成する燃料改質装置も開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平７−２９３８１４号公報
【特許文献２】特許第２５３３６１６号
【特許文献３】特開２００３−３０６３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献２に記載の触媒燃焼器では、多量の液水が触媒燃焼器内に導入されると、触媒の温度が低下して失火する恐れがあった。触媒燃焼器が一旦失火すると、再度着火するまで未燃の燃料が大量に排出されてしまい、エネルギ有効利用および環境への影響の観点から問題となっていた。
【０００７】
また、上述した特許文献３に記載の触媒燃焼器では、触媒直上流側に水分吸着用のフィルタを設置し、液水により触媒の活性低下および失火を防止しているが、全面にフィルタを設置したため、フィルタの圧損によりシステムの効率が低下してしまうという恐れがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の触媒燃焼器は、筒状のハウジングと、ハウジング内に間隔を空けて多段に設置され、供給されたアノードオフガスに酸化剤を混合した混合ガスを最初に導入する第一の触媒及び第一の触媒後流側に設置された第二の触媒を少なくとも含む複数の触媒と、を備え、第一の触媒またはその上流側の水分吸着性が、第二の触媒またはその後流側の水分吸着量に比べて高いことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の触媒燃焼器によれば、混合ガス中に含まれる凝縮水の流入による触媒の温度低下を抑制すると共に凝縮水による失火を防ぎ、燃焼効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、燃料電池システムの燃料電池スタック後流側に設置した本発明の実施の形態に係る触媒燃焼器について、第１実施形態及び第２実施形態を用いて説明する。
【００１１】
＜第１実施形態（図１〜図４）＞
第１実施形態では、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システム内に、本発明の実施の形態に係る触媒燃焼器を設置した例を挙げて、図１〜図４を用いて説明する。
【００１２】
燃料電池システムは、発電の基本単位である単セルを複数個積層した燃料電池スタックを備える。各単セルは、固体高分子電解質膜の両側にアノード極（燃料極（水素極））及びカソード極（酸素極）を接合して一体化した膜電極接合体（MEA）を有しており、膜電極接合体の両側に燃料極側セパレータと酸化剤極側セパレータとを配置している。
【００１３】
図１は、燃料電池システムの一部の構成を示す図である。なお、燃料電池の運転に必要な周辺補機類は図示せず、構成を簡略化して示す。図１に示すように、燃料電池スタック１内のカソード極２とアノード極３とには、アノードガス（水素ガス、水素リッチに改質された炭化水素燃料ガスやメタノール等の燃料ガス）を供給するアノードガス流路４及びカソードガス（酸素ガスを含む空気等）を供給するカソードガス流路５を接続している。なお、本実施形態では、アノードガスとして水素ガスを用いている。
【００１４】
アノード極３後流側には触媒燃焼器６が設置され、オフガス排出手段であるアノードオフガス排出管７を介してアノード極３と触媒燃焼器６とを連結している。アノードオフガス排出管７途中には排出弁８が取り付けられ、排出弁８上流側のアノードオフガス排出管７から分岐して、アノードガス流路４に連結する水素循環システム９が設置されている。
【００１５】
水素循環システム９の詳細な構成については図示しないが、例えば、アノードオフガス排出管７とアノードガス流路４とに連結した水素循環配管１０上にポンプ、バルブ、エゼクタを各々設置している。図１には、水素循環配管１０上にポンプ１１を設置した水素循環システム９を示す。なお、図１に示した水素循環システム９は一例を挙げたにすぎず、本構成に限定されるものではない。
【００１６】
上記触媒燃焼器６は、ハウジング１２の一端側に酸化剤を導入する酸化剤導入部１３を形成し、酸化剤導入部１３と対向する側に排出部１４を形成している。酸化剤導入部１３側のハウジング１２内部にはアノードオフガス排出管７が導入され、アノードオフガス排出管７先端にアノードオフガス噴出部１５を形成している。ハウジング１２内部のアノードオフガス噴出部１５から排出部１４に向かって、上流側に第一の触媒１６、後流側に第二の触媒１７を各々配置している。なお、酸化剤導入部１３から導入する酸化剤ガスとしては、燃料電池スタック１のカソード極２側のカソードオフガスを用いるか、又はカソード極２に供給する酸素ガスを含む空気をカソード極２の入口上流側から触媒燃焼器６に分岐させて酸素ガスを供給することができる。また、触媒燃焼器６専用の空気供給源を個別に設置しても良い。
【００１７】
なお、触媒燃焼器６のハウジング１２内では、導入したアノードオフガスと酸化剤とを混合するが、混合方法は、特に限定されず、アノードオフガス噴出部１５の形状を変えるか、あるいは混合気形成用のミキサ等を設置し、設計の意図に応じて各種変えることができる。
【００１８】
また、アノードオフガス噴出部１５や触媒燃焼器６本体のハウジング１２は、既存の燃焼器技術を用いて設計することができる。
【００１９】
図１に示す第一の触媒１６と第二の触媒１７は、ハウジング１２断面と同形状であり、上流側の第一の触媒１６は、後流側の第二の触媒１７よりも水分を吸着し易い材料から形成している。なお、第一の触媒１６と第二の触媒１７は、図１に示す構成に限定されず、例えば、図１に示した第一の触媒１６を配置した位置に、図２に示すように重力方向に対して上下二つに区分けし、上部に第一の触媒１６、下部に水分吸着材１８を配置して触媒燃焼器１９を構成しても良い。さらに、図１には図示しないが、必要に応じて第二の触媒１７の後流側に第三の触媒を設置しても良い。以下、各構成材料を説明する。
【００２０】
第一の触媒１６及び第二の触媒１７は、ステンレスなどの金属製又はセラミックス製の担体に、例えば、ジルコニアを主成分としたセラミックスベースのウォッシュコートを施し、白金やパラジウム等の貴金属を担持して構成される。各触媒は、既存の触媒技術を用いて製造することが可能であり、ウォッシュコートや貴金属の種類や量等は、触媒設計者の意図に応じて設計することができる。
【００２１】
また、第一の触媒１６は、第二の触媒１７に比べて、水分を吸着しやすい材料から形成されるが、例えば、第一の触媒１６の担体として多孔質セラミックス、第二の触媒１７担体として金属を各々使用する。このような材料から触媒を構成することにより、第一の触媒１６の担体は、第二の触媒１７担体よりも水分吸着量が大きくなる。また、触媒担体の材料を変えるだけではなく、第一の触媒１６のウォッシュコートとして親水性の高い材料を用い、第二の触媒１７のウォッシュコートとして親水性の低い材料を用いて、水分吸着性を変えても良い。
【００２２】
水分吸着材１８としては、例えば、ゼオライト、石灰、シリカゲル等の吸湿材を用いることができる。水分吸着材１８は、加熱すると放湿して再生するため、燃焼する前に、予め水分吸着材１８に水分を吸着させておき、水分吸着材１８を燃焼熱で加熱して水分を放出させる。なお、水分吸着材１８から水分が放出された時点では燃焼触媒が十分に温まるため、放出された水分により触媒燃焼器１９内は失火することがない。ただし、水分吸着材１８の耐熱性に応じて、近接する第一の触媒１６の燃焼温度を調整し、燃焼温度が水分吸着材の耐熱温度以下となるように設計あるいは制御する必要がある。また、水分吸着材１８として貴金属を含まないウォッシュコートのみの材料を使用しても良く、本材料から水分吸着材１８を形成することにより耐熱性を高めることができる。
【００２３】
また、ハウジング１２内に設置される複数の触媒は、図２に示す構成に限定されるものではなく、例えば、一つ以上の担体を一体形成し、上流側に水分吸着部及び下流側に燃焼触媒部を構成しても良い。このように一つ以上の担体を一体形成し、燃焼触媒部と水分吸着部とを構成することにより、触媒での燃焼熱が水分吸着部に素早く確実に熱伝導するため、放熱ロスが少なくなる。また、燃焼熱により水分吸着部の昇温が効率的となり、効果的に水分を放出することができる。
【００２４】
さらに、触媒燃焼器の作製時の部品点数を減らすことができ、生産性及び製造効率が高まる。また、電熱触媒等に適用した場合、作成が容易となるだけでなく電熱により燃焼触媒部と水分吸着部とを同時に加熱することもできる。
【００２５】
さらに、一体形成した担体に燃焼触媒部と水分吸着部とを形成し、担持する貴金属の有無または部分的貴金属量(濃度)を燃焼触媒部又は水分吸着部の位置に応じて変えても良い。燃焼触媒部と水分吸着部との位置により担持する貴金属の有無または部分的貴金属量(濃度)を変えることにより、前述した効果に加え、触媒の製造工程を簡略化でき、製造時に使用する薬液の種類等をも減らすことができる。例えば、同一の担体に燃焼触媒部と水分吸着部とを一体に形成する場合は、水分吸着部として燃焼触媒部と同じウォッシュコートを使用することが好ましい。同じウォッシュコートから燃焼触媒部と水分吸着部とを形成することにより、燃焼触媒部の温度差等に起因する熱応力により担体の破損を防止できるだけでなく、熱伝導率等の物性値が同程度となり、物性値の違いによる各種不都合の発生を抑制することができる。
【００２６】
前述した図２に示す触媒燃焼器１９を適用した場合に、触媒燃焼器１９内に導入したアノードオフガスと酸化剤との処理の流れを、図３（a）（b）を用いて説明する。なお、図２と同一の構成については、その説明を省略して同一符号を使用する。図３（a）に示すように、触媒燃焼器１９内に導入されたアノードオフガスと酸化剤とは混合された後、酸化剤が流れる方向Ｘに向かいハウジング１２内を移動し、第一の触媒１６に供給される。ガス流中に噴出された凝縮水２０は、ガスの主流の影響を受けるが、基本的には自己の慣性によりガス中を流れる。また、ガスの主流よりも重力や加速度の影響を受け易く、重力により下方に加速する。混合ガス中の凝縮水２０の流れを拡大すると、凝縮水は触媒燃焼器１９の下方に向かって流れ、水分吸着材１８により吸着される。このため、図３（b）に示すように、凝縮水の分布は、触媒燃焼器１９下側が多くなり、液水濃度は、上部の第一の触媒１６よりも下部の水分吸着材１８の方が高くなる。
【００２７】
第一の触媒１６に導入された混合ガスは、まず、その混合ガス中に含まれるアノードオフガス残留燃料分と酸化剤中の酸素とが燃焼処理される。その後、第一の触媒１６で燃焼処理しきれないアノードオフガス残留燃料分が、後流側の第二の触媒１７に供給され、第二の触媒１７で燃焼処理される。また、より確実な燃焼のために第二の触媒以降にも第三以降の触媒を設けても良い。
【００２８】
なお、本実施形態では、水分吸着材として貴金属を含まないウォッシュコートのみから形成した例を挙げたが、本方法に限定されるものではなく、担体のセル密度を高める方法を用いても良い。担体のセル密度を上げることにより、触媒流路幅が狭まる結果、水分を吸着し易くなる。
【００２９】
また、図２に示すように、第１の触媒１６下部に水分吸着材１８を配置した構成に限定されず、例えば、図４に示すように、第１の触媒１６下部の水分吸着材１８について、上流側の断面積を大きくし、下流側の断面積を小さく斜め形状の触媒燃焼器２１を構成しても良い。この場合には、比較的流入する水分量が少ない上側を短くし、流入水分量が多く液水が溜まる可能性の高い下部を長く構成することが好ましい。
【００３０】
本実施形態によれば、第二の触媒に比べて水分を吸着し易い材料から第一の触媒を構成することにより、アノード極から排出される凝縮水を第一の触媒で吸着できる。このため、第一の触媒の温度は下がり触媒活性が低下するが、第二の触媒は凝縮水の影響を受けず、触媒燃焼器の温度低下や失火を防ぎ、安定した燃焼を継続することができるため、触媒燃焼器全体の燃焼効率を高めることができる。また、触媒は輻射等の熱を受けるため、第二の触媒によって発生される燃焼熱によって第一の触媒の温度を再度上昇させて触媒活性を高めることもできる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、図２から図４までに示すように、上流側に水分吸着材、下流側に燃焼触媒を各々配置し、アノードオフガス中に含まれる凝縮水を水分吸着材で吸着したため、燃焼触媒中への凝縮水の流入を抑制して、触媒の活性低下及び触媒燃焼器の失火を防ぐことができる。この結果、燃焼効率を高めることができる。また、燃焼するガスの断面全体に水分吸着材を配置する場合に比べて、図２〜図４に示すように、水分吸着材を一部に設置することにより、圧損を低減することもできる。
【００３２】
なお、水素循環システム内の凝縮水対策として図示しない液水トラップ等を設置することも可能であるが、この場合は、液水排出時に他のオフガス成分も同時に排出されてしまう。これに対し、本実施形態によれば、混合ガス中に含まれる凝縮水も燃焼熱によって気化した後に排出される。
【００３３】
また、図２に示すように、第一の触媒の下側に水分吸着材を配置したため、水分を吸着することができる。また、断面全体に水分吸着材を配置する場合に比べ、触媒の設置量を増やして圧損をも減らすことができる。
【００３４】
＜第２実施形態（図５〜図７）＞
第２実施形態では、燃料電池車両等の移動体への搭載に適した本発明の実施の形態に係る触媒燃焼器について、図５〜図７を用いて説明する。なお、第２実施形態で示した各触媒燃焼器は、水分吸着材の配置位置を変えた以外は、図２に示した触媒燃焼器１９とほぼ同様の構成であるため、同一符号を用いて説明を省略する。
【００３５】
図５及び図６に示す各触媒燃焼器２２,２３は、その断面図に示すように、第一の触媒１６の直上流側にハウジング１２外周を被覆する水分吸着材１８を配置している。なお、図５に示す水分吸着材１８は、ハウジング１２内壁沿いに形成し、図６に示す水分吸着材１８は、第一の触媒１６と同様の断面形状として第一の触媒１６に接触または近接配置している。
【００３６】
また、水分吸着材１８は、図７に示すように、ハウジング１２と第一の触媒１６との間に配置しても良い。水分吸着材１８は、ハウジング１２の断面形状に応じて、図８（a）（b）に示す断面形状となる。
【００３７】
本実施形態における各触媒燃焼器の水分吸着材１８は、第１実施形態で示した吸湿材及び触媒用のウォッシュコートの膜を用いて作製することができる。また、図６に示す水分吸着材は、ワイヤーメッシュ等から形成しても良い。
【００３８】
本実施形態によれば、図５に示すように、第一の触媒の直上流側に水分吸着材を配置したため、触媒上流側壁面に付着した水分を吸着し、下流にある触媒の全断面を触媒に構成できるため、触媒の容量を大きくすることができる。また、図５に示す触媒燃焼器を移動体等に搭載した場合であっても、凝縮水はガス流よりも自己にかかる加速度により、重力及び加速度Ｇの影響を受ける。このため、加速度Ｇのかかる触媒燃焼器では、その加速度Ｇの影響により凝縮水がハウジング内壁面に移動した場合であっても、水分吸着材により凝縮水を吸着することができる。
【００３９】
また、本実施形態の図５に示した触媒上流側の水分吸着材は、第１実施形態の図１から図４までおよび図６に示す各触媒燃焼器の構成に比べて、燃焼熱の影響を受け難いことから、触媒の燃焼温度を高めることができる。また、水分吸着材は、第一の触媒の直上流側に配置され触媒の燃焼熱の影響をある程度受けるため、吸着した水分を効果的に再放出することができる。
【００４０】
また、触媒燃焼器を車両等に搭載した場合は、加速Ｇが車両の動きによって前後左右にかかり液水濃度はＧの方向が高くなるが、本実施形態の図７に示すように、触媒外側に水分吸着材、中心部に燃焼触媒を配置することにより、Ｇによって燃焼器外壁側へと流れる水分を吸着することができる。また、断面全体に水分吸着材を設置する場合に比べて、圧損を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る触媒燃焼器の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す触媒燃焼器の水分吸着材を配置した触媒燃焼器の構成を示す断面図である。
【図３】（a）は、触媒燃焼器内に導入したアノードオフガスと酸化剤との処理の流れを説明する触媒燃焼器の断面図であり、（b）は、（a）の一部拡大図である。
【図４】水分吸着材の配置を変えた触媒燃焼器の構成を示す断面図である。
【図５】第一の触媒の直上流側にハウジング外周を被覆する水分吸着材を配置した触媒燃焼器の構成を示す断面図である。
【図６】第一の触媒の直上流側に第一の触媒に接触配置した触媒燃焼器の構成を示す断面図である。
【図７】ハウジングと第一の触媒との間に水分吸着材を配置した触媒燃焼器の構成を示す断面図である。
【図８】図７に示す水分吸着材を設置した位置の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池スタック,
２…カソード極,
３…アノード極, 
４…アノードガス流路,
５…カソードガス流路,
６…触媒燃焼器,
７…アノードオフガス排出管,
８…排出弁,
９…水素循環システム,
１０…水素循環配管,
１１…ポンプ,
１２…ハウジング,
１３…酸化剤導入部,
１４…排出部,
１５…アノードオフガス噴出部,
１６…第一の触媒,
１７…第二の触媒,
【図１】
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【図２】
2006017334.tif 000004
【図３】
2006017334.tif 000005
【図４】
2006017334.tif 000006
【図５】
2006017334.tif 000007
【図６】
2006017334.tif 000008
【図７】
2006017334.tif 000009
【図８】
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